(57)【要約】【課題】  ヒートシンクと半田接合する場合に、空隙率が小さい半田層を得ることができるようなセラミックス回路基板、また半田層の空隙率が小さくて放熱性のよいパワーモジュールを提供する。【解決手段】  セラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に接合された金属回路板と、前記セラミックス基板の他方の面に接合された金属放熱板とからなるセラミックス回路基板と、前記金属放熱板に半田層を介してヒートシンク材を接合し、前記金属回路板には半導体素子を実装してなるパワーモジュールにおいて、前記金属放熱板とヒートシンク材は半田リフローにより接合したもので、半田リフローの半田溶融時に、セラミックス回路基板がヒートシンク材側に凸形状に反っているパワーモジュールである。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に接合された金属回路板と、前記セラミックス基板の他方の面に接合された金属放熱板とからなるセラミックス回路基板において、２３０〜３００℃に加熱した時に、金属放熱板側に凸形状に反っていることを特徴とするセラミックス回路基板。
【請求項２】
前記金属放熱板側に凸形状に反っている反り量は、セラミックス基板の長手方向の長さに対して１／５０００以上で１／１００以下であることを特徴とする請求項１に記載のセラミックス回路基板。
【請求項３】
前記セラミックス回路基板を構成する金属回路板と金属放熱板はそれぞれ銅元素を主体とする材質からなり、金属回路板の体積（Ｖ１）と金属放熱板の体積（Ｖ２）との比（Ｖ１／Ｖ２）が０．８５以上１．２以下で、且つ金属回路板の厚さ（Ｔ１）と金属放熱板の厚さ（Ｔ２）との比（Ｔ１／Ｔ２）が１．１以上１．４以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のセラミックス回路基板。
【請求項４】
セラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に接合された金属回路板と、前記セラミックス基板の他方の面に接合された金属放熱板とからなるセラミックス回路基板と、前記金属放熱板に半田層を介してヒートシンク材を接合し、前記金属回路板には半導体素子を実装してなるパワーモジュールにおいて、
前記金属放熱板とヒートシンク材は半田リフローにより接合したもので、半田リフローの半田溶融時に、セラミックス回路基板がヒートシンク材側に凸形状に反っていることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項５】
前記セラミックス回路基板がヒートシンク材側に凸形状に反っている反り量は、セラミックス基板の長手方向の長さに対して１／５０００以上で１／１００以下であることを特徴とする請求項４記載のパワーモジュール。
【請求項６】
前記金属放熱板とヒートシンク材を接合した後の半田層の空隙率が５％以下であることを特徴とする請求項４又は５記載のパワーモジュール。
【請求項７】
セラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に接合された金属回路板と、前記セラミックス基板の他方の面に接合された金属放熱板とからなるセラミックス回路基板と、前記金属放熱板に半田層を介してヒートシンク材を接合し、前記金属回路板には半導体素子を実装してなるパワーモジュールにおいて、
前記セラミックス回路基板は、請求項１、２又は３のいずれかに記載のセラミックス回路基板であることを特徴とするパワーモジュール。
【請求項８】
セラミックス基板の一方の面に金属回路板を加熱接合し、他方の面に金属放熱板を加熱接合してセラミックス回路基板を製造する工程と、前記金属放熱板とヒートシンク材を半田リフローにより接合する工程と、前記金属回路板に半導体素子を実装する工程とを有するパワーモジュールの製造方法において、
前記金属放熱板とヒートシンク材を半田リフローにより接合する工程において、前記セラミックス回路基板が、２３０〜３００℃に加熱された時、ヒートシンク材側に凸状で、セラミックス基板の長手方向の長さに対して１／５０００以上で１／１００以下の反り量をなすように変形することを特徴とするパワーモジュールの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セラミックス回路基板及びパワーモジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在の自動車、鉄道車輌、エレベータ、産業機器、ロボット、空調機器などには、トランジスタ、ＣＰＵ、ＩＧＢＴなどの半導体素子を搭載した回路基板をヒートシンクなどに直接或いは共通板を介して接合したパワーモジュールが多く用いられている。このような半導体素子は大きな電流を流すことができるが、発生した熱が半導体素子そのものを破壊する場合があり、パワーモジュールには高い放熱性能が求められている。このため、回路基板として、電気絶縁性と熱伝導性に優れた窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のセラミックス基板を用い、その表面に銅、アルミニウム等の金属回路板を接合し、裏面に銅等の高熱伝導体からなる金属板を接合したセラミックス回路基板が用られているが、半導体素子とセラミックス回路基板との間の熱伝導性の良否、及びヒートシンクとセラミックス回路基板との間の熱伝導性の良否も重要である。
【０００３】
半導体素子とセラミックス回路基板との間の熱伝導性に係わる技術としては、特許文献１に開示されているものがある。これは、金属回路板の表面に空隙率５％以下の半田層を形成し、この半田層を介して電子部品と金属回路板とを接合させるというものである。半田層の空隙率を５％以下とすることで熱伝導度を高め、半導体素子等の電子部品が作動する時に発する熱をセラミックス回路基板の金属回路板に効率よく伝達させることができるとしている。半田層の空隙率を５％以下とするには、金属回路板上に半田ペーストを所定パターンに印刷塗布した後、半田ペーストを一旦、半田の液相線温度より３０〜５０℃高い温度に５〜１０分間予備加熱し、半田ペースト中の有機溶剤、溶媒を大気中に揮散させるとともに半田粉末間に存在する空気を抜くことによって行われる、と説明されている。
【０００４】
一方、ヒートシンクとセラミックス回路基板との間の熱伝導性に係わる技術については、特許文献２に開示されたものがある。これは、温度変化による回路基板の反りの変位を著しく小さくすることで、ベース銅板（ヒートシンクに相当）に金属放熱板を半田付けする際のボイドの発生を減少させ、しかも熱衝撃や熱履歴に対する耐久性を向上させた回路基板を提供するというものである。反りの変位を著しく小さくするために、金属回路とセラミックス基板とが接合している部分の長さの合計の最小値をセラミックス基板の長さに対して２０％以下とし、かつ−４０℃〜３００℃に冷却・加熱した場合における反り量を１００μｍ以下とする、と説明されている。
【０００５】
また、セラミックス回路基板自身の反り量を規定した例は特許文献３などに開示されている。このセラミックス回路基板は、特定方向に所定のそり量を有するもので、即ち金属回路側に凹形状に反っており、その反り量が１００μｍ以下であるとしたものである。これにより、回路基板全体の曲げ強度及びたわみ量を大きくすることができ割れの発生を少なくできるとある。
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−１０２６９４号公報（段落番号００２９〜００３０）
【特許文献２】特開平０７−１１５２５２号公報（段落番号０００７、００２６〜００２８）
【特許文献３】特開平１１−３３０３０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１において、半田層中の空隙を減少させて熱伝導性を高めるという技術は有効であるが、空隙率を下げるために複雑な工程が必要となるという問題がある。一方、特許文献２においては、ボイドとは、金属放熱板とベース銅板との接触面において半田が形成されていない隙間の面積のことを言っており、特許文献１における半田層中の気泡部のことではない。即ち、特許文献２においては、このボイドは熱伝導性に係わるものとしてではなく、ベース銅板と金属放熱板の接合強度に係わるものとして捉えられている。これは、特許文献２において、耐熱衝撃性の良好な回路基板を提供するための改良技術であるとの記載があり、評価項目としてヒートサイクル回数が挙げられているのに対し、熱伝導性に係わる説明は全くないことからもわかる。ただ、ここで言うボイドであっても、少ない方が金属放熱板とベース銅板との接触面積が増えるので熱伝導性を高めることになり有効である。しかし、ここで言うボイドがほとんど発生しないような回路基板であっても、半田層中の空隙を少なくすることは重要である。尚、特許文献３のセラミックス回路基板では室温での基板単体の反り方向や反り量を規定しているが、このセラミックス回路基板をベース銅板に半田接合する際の反りについては言及していない。半田リフロー時の反りの形態は一様ではなく、上述した空隙にも影響も与えていると考えられる。
【０００８】
従って、本発明は、ヒートシンクと半田接合する場合に、空隙率が小さい半田層を得ることができるようなセラミックス回路基板を提供することを目的としている。また、本発明は、ヒートシンクとセラミックス回路基板を接合する半田層の空隙率が小さくて放熱性のよいパワーモジュールを提供することを目的とし、またこのパワーモジュールを複雑な工程を経ることなく得ることができるような製造方法を提供することも目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のセラミックス回路基板は、セラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に接合された金属回路板と、前記セラミックス基板の他方の面に接合された金属放熱板とからなるセラミックス回路基板において、２３０〜３００℃に加熱した時に、金属放熱板側に凸形状に反っていることを特徴としている。
また、本発明において、前記金属放熱板側に凸形状に反っている反り量は、セラミックス基板の長手方向の長さに対して１／５０００以上で１／１００以下であればよいが、１／５０００以上で１／２００以下がより好ましい。
また、本発明において、前記セラミックス回路基板を構成する金属回路板と金属放熱板はそれぞれ銅元素を主体とする材質からなり、金属回路板の体積（Ｖ１）と金属放熱板の体積（Ｖ２）との比（Ｖ１／Ｖ２）が０．８５以上１．２以下で、且つ金属回路板の厚さ（Ｔ１）と金属放熱板の厚さ（Ｔ２）との比（Ｔ１／Ｔ２）が１．1以上１．４以下であることが好ましい。
【００１０】
本発明のパワーモジュールは、セラミックス基板と、このセラミックス基板の一方の面に接合された金属回路板と、前記セラミックス基板の他方の面に接合された金属放熱板とからなるセラミックス回路基板と、前記金属放熱板に半田層を介してヒートシンク材を接合し、前記金属回路板には半導体素子を実装してなるパワーモジュールにおいて、前記金属放熱板とヒートシンク材は半田リフローにより接合したもので、半田リフローの半田溶融時に、セラミックス回路基板がヒートシンク材側に凸形状に反っていることを特徴としている。通常、半田リフローは炉を用いて行われ、炉の設定温度（以降、半田リフロー温度ともいう）は使用する半田の融点以上の、例えば約２３０〜３００℃に設定される。従って、前記セラミック回路基板は、半田リフロー温度とほぼ同じか、少なくとも半田融点温度以上の温度に加熱された時に凸形状に反っていることを必要とするものである。半田リフロー中に回路基板が金属放熱板側に凸状に反ることにより、溶融はんだ中に巻き込まれた気体が溶融半田から排除されやすくなる。尚、反りの程度は金属放熱板と金属回路板の体積比、および厚さ比が主たる支配因子であるため、この構成を適当な範囲とすることで加熱中に好ましい反り形状を実現することができる。これによって溶融半田中の気泡を逃がし易くなる。
【００１１】
また、本発明において、前記セラミックス回路基板がヒートシンク材側に凸形状に反っている反り量は、セラミックス基板の長手方向の長さに対して１／５０００以上で１／１００以下であればよいが、１／５０００以上で１／２００以下がより好ましい。
また、本発明において、前記金属放熱板とヒートシンク材を接合した後の半田層の空隙率は５%以下である。
また、本発明において、セラミックス回路基板としては、前記発明のセラミックス回路基板を用いることが好ましく、特に窒化ケイ素基板であることが好ましい。
【００１２】
本発明のパワーモジュールの製造方法は、セラミックス基板の一方の面に金属回路板を加熱接合し、他方の面に金属放熱板を加熱接合してセラミックス回路基板を製造する工程と、前記金属放熱板とヒートシンク材を半田リフローにより接合する工程と、前記金属回路板に半導体素子を実装する工程とを有するものにおいて、前記金属放熱板とヒートシンク材を半田リフローにより接合する工程において、前記セラミックス回路基板が、２３０〜３００℃に加熱された時、ヒートシンク材側に凸状で、セラミックス基板の長手方向の長さに対して１／５０００以上で１／１００以下の反り量をなすように変形することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によるセラミックス回路基板は、半田リフロー温度に加熱された時に金属放熱板側に凸状に反っているので、パワーモジュールに使用してヒートシンクと半田リフロー接合すると、ヒートシンク側に凸状に反って溶融半田中の気泡を逃がし易くする。よって、放熱性の優れたパワーモジュールを実現することができる。また、本発明のパワーモジュールは、セラミック回路基板をヒートシンクと半田リフロー接合する時に、セラミック回路基板がヒートシンク側に所定量だけ凸状に反っているので、溶融半田中の気泡が良好に逃げて半田層の空隙が５％以下と少ないだけでなく、セラミック回路基板の金属放熱板全域でヒートシンクと半田接合され、放熱性の優れたパワーモジュールとなる。また、本発明のパワーモジュールの製造方法は、通常の半田リフローを行なうだけで半田中の気泡を除去できるようにしているので、気泡除去のための特別な工程を必要としない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
まず、本発明によるセラミックス回路基板について説明する。
本セラミックス回路基板１は、セラミックス基板２上に金属回路板３が接合され、金属回路板３が接合された反対面側には金属放熱板４が接合されたものである。本セラミックス回路基板１は、室温での反りは規定されず、２３０〜３００℃に加熱した時に、図１に示すように金属放熱板４側に凸形状に反っていることを特徴としている。これにより、本セラミックス回路基板１を、パワーモジュールの構成部品としてヒートシンク５に半田リフローで接合する際、金属放熱板４とヒートシンク５間の溶融半田６から気泡が抜け易くなるのである。
【００１５】
反り量は、セラミックス基板２の長手方向長さの１／５０００以上あることが好ましい。反り量が大きくなる程気泡の抜け性はよくなるが、金属放熱板４とヒートシンク５表面との隙間が外周部にいく程大きくなるため、外周部に半田層６が形成できなくなる恐れがある。このため最大反り量は１／２００以下とすることが好ましいが、印刷塗布した半田ペーストの厚みによってはさらに大きな値、例えば１／１００以下までとすることもできる。なお、２３０〜３００℃というのは半田リフロー温度である。また、セラミックス基板の長手方向の長さは、加熱状態におけるセラミックス回路基板の長手方向の端部から端部までの直線距離であるが、室温で金属回路板３及び金属放熱板４を接合する前のほとんど反りがない時の長手方向の距離としてもよい。
【００１６】
セラミックス基板２は、使用目的に合わせて窒化ケイ素、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、または酸化アルミニウムと酸化ジルコニウムとの化合物など適宜な材質のものを使用することができるが、熱伝導性、機械的強度などから、窒化ケイ素を使用することが好ましい。また、セラミックス基板２の厚さは、実装される半導体素子の大きさや重量、個数、発熱量、セラミックス回路基板１としての大きさ、必要な強度、耐久性等を考慮したうえで決めればよいが、０．３〜１ｍｍさらには０．３〜０．７ｍｍの範囲が好ましい。セラミックス基板２の厚さが０．３ｍｍ未満であると基板の強度が保ち難く割れ易くなる。一方、厚さが１ｍｍを超えるとセラミックス回路基板１を薄型化するという点で障害となる。
【００１７】
金属回路板３は、導電性、熱伝導性を有し、前記のセラミックス基板２の構成成分と共晶化合物を生成し、直接接合法や活性金属法による接合方法を適用できる金属であれば特に限定されない。例えば、銅、アルミニウム、鉄、ニッケル、クロム、銀、モリブデン、コバルトの単体またはその合金などを使用することができるが、熱伝導性および価格などの観点から、銅元素を主とする材料が好ましい。金属回路板３の厚さＴ１は、通電容量を大きくするため厚くなる傾向にあるが、０．２５〜１ｍｍ、さらには０．２５〜０．６ｍｍの範囲が好ましい。金属回路板３の厚さが０．２５ｍｍ未満ではパワーモジュール用としては不十分である。逆に、厚さが１ｍｍを超えると、熱膨張率の差からくる熱応力がセラミックス基板２に大きく作用するので好ましくない。
【００１８】
金属放熱板４は、前記金属回路板３と同様、導電性、熱伝導性を有し、前記のセラミックス基板２の構成成分と共晶化合物を生成し、直接接合法や活性金属法による接合方法を適用できる金属であれば特に限定されないが、金属回路板３と同一材料を用いると、金属放熱板４とセラミックス基板２との接合を、金属回路板３と同じ方法を用いて同時に行うことができるので好ましい。金属放熱板４の厚さＴ２は、放熱性の観点からは薄い方が好ましい。
【００１９】
前述したように、本セラミックス回路基板１は、室温での反り方向や反り量は規定されないが、所定温度に加熱された時に、前述したような反り方向、反り量となるためには、室温における反りがあまり大きくない方が好ましく、金属回路板３と金属放熱板４の体積には大きな差がないようにしている。このため、金属回路板３は回路形成部であるのに対し金属放熱板４は熱の放熱板であることから、金属放熱板４の面積Ａ２の方を金属回路板３の面積Ａ１より広いか同等にし、金属回路板３の厚さＴ１は金属放熱板４の厚さＴ２より厚いか同等にするようにしている。具体的には、Ｖ１／Ｖ２＝０．８５〜１．２でＴ１／Ｔ２＝１．１〜１．４とするとよい。なお、前記体積は、金属回路板３又は金属放熱板４が複数の金属板で形成されている場合は合算した体積である。
【００２０】
［実施例１］
セラミックス基板の表裏面に厚さ及び面積を違えた金属板を接合したセラミックス回路基板のサンプルを作成し、加熱時の反りを調べた。サンプルは次の様にして作成した。窒化ケイ素を主成分とするセラミックス粉末を焼結助剤および粘結助剤と混合してグリーンシートとし、脱脂処理および焼結を行って約１２０×１００×０．３ｍｍのセラミックス板を作製した。次いで、セラミックス板を６０ｍｍ×５０ｍｍの大きさに切断し、１枚のセラミックス板から４枚のセラミックス基板を得た。その後、セラミックス基板の表裏面に厚さＴと面積Ａの異なる銅板を活性金属法でろう接し、１２種類のサンプルを作成した。サンプルは、金属回路板に相当する銅板の厚さＴ１を全て０．３ｍｍとし、金属放熱板に相当する銅板の厚さＴ２を約０．３、０．２６、０．２２、０．１９ｍｍとした。また、金属放熱板に相当する銅板は全て５８×４８ｍｍの大きさ（Ａ２）とし、金属回路板に相当する銅板は５８×４８ｍｍの銅板をろう接した後、エッチングにより適宜の回路パターンを形成した（Ａ１）。なお、金属放熱板形状は５８×４８ｍｍ一定で、金属回路板のみをエッチングで形状を変えることで３種類の回路パターンを作成し、Ａ１／Ａ２比がそれぞれ０．７、０．８５、０．９５となるような形状を選択した。以上のような方法で作成したセラミックス回路基板の金属回路基板と金属放熱板との銅厚比、面積比および体積比の関係を表１に記載する。体積比Ｖ１／Ｖ２の値は反り量と共に括弧内に付記している。また、銅板は全て、セラミックス基板に対して４８ｍｍの幅方向を一致させ中央に位置するように配置した。
【００２１】
前記サンプルを図２に示すようにホットプレート２０上で半田リフロー温度に相当する２６０℃に加熱し、サンプル上部から３次元形状測定装置により基準位置からのセラミックス基板の幅方向中心線上における長手方向の両端部と、表側銅板の中央部の３点の距離ｈ１、ｈ２、ｈ３を測定した。反り量は、中央部から両端部を結んだ線にいたる垂直方向距離δを求め、これを表銅板の厚さ（０．３ｍｍ）から差し引いて変形量とし、セラミックス基板の長手方向の長さ（６０ｍｍ）で除して求めた。
【００２２】
表１に反り方向と反り量の測定結果を斜字で示す。数値が＋符号の場合は裏銅板（金属放熱板４）方向に凸形状になっていることを示している。ここでは反り量を前記計算結果を１００倍して％表示した値で示しており、前記１／５０００は０．０２で、１／２００は０．５で表している。
【００２３】
【表１】
2006245437.tif 000003
【００２４】
反りが＋０．０２〜＋０．５の好ましい範囲にあるのは、表１において、Ａ１／Ａ２＝０．８５〜０．９５で、かつＴ１／Ｔ２＝１．１５〜１．３５の範囲内であることがわかる。また、反りが＋０．０２〜＋１にあるのは、Ａ１／Ａ２＝０．７０〜０．９５で、かつＴ１／Ｔ２＝１．００〜１．３５の範囲内であることがわかる。なお、Ａ１／Ａ２＝０．９５、Ｔ１／Ｔ２＝１．３５のサンプルは、上記範囲にはあるが反り方向が逆であり、前記いずれの場合にも除外される。また、銅厚比と面積比の他に実際には回路パターンを設けるので表裏金属板の体積比は厚さと面積だけでは決められないが、上記の範囲を満足する領域としては、体積比Ｖ１／Ｖ２を０．８５〜１．２とし、かつＴ１／Ｔ２＝１．１〜１．４とすることが良いと言うことが分かる。これは表１のドットパターンで塗りつぶした範囲となり、反りがほぼ好ましい範囲に入っている。
【００２５】
次に、本発明のパワーモジュールについて説明する。
本発明のパワーモジュール１０は、図３に示すように、前述したセラミックス回路基板１と同様な構造のセラミックス回路基板１１と、セラミックス回路基板１１の一方の面の金属回路板１３に実装された半導体素子１５と、他方の面の金属放熱板１４に接合されたヒートシンク５とを有している。半導体素子１５とヒートシンク５は半田リフローで接合されている。セラミックス回路基板１１は、少なくとも半田リフロー時の半田溶融状態において、半田の融点温度以上で半田リフロー温度以下の温度に加熱され、この時ヒートシンク５側に凸状に反っている、という特徴を有している。
【００２６】
本パワーモジュール１０は、セラミックス回路基板１１とヒートシンク５間の熱抵抗を減少して熱伝導性を高めるために、この間の半田層６の空隙率が５％以下になるようにしたものである。このため、前述したように、半田リフロー時の半田溶融状態において、セラミックス回路基板１１がヒートシンク５側に凸状に反っているようにし、溶融半田６の中に存する空気や有機溶剤等を抜け易くしたものである。この時の反り量は、セラミックス基板１２の長手方向長さに対する比率で表すと、１／５０００以上で１／２００以下とするのが好ましい。反り量が１／５０００より小さいと気泡の抜け性が悪くなり空隙率を５％以下にするのが難しくなる。また、反り量が大きくなると、金属放熱板１４とヒートシンク５表面との隙間が外周部ではより大きくなるため、塗布した半田ペーストの厚さによっては外周部に半田層６が形成できないことがある。このため、反り量は１／２００以下とすることが好ましいが、半田ペーストを厚くすれば１／１００以下まで大きくすることもできる。半田ペーストを厚く塗布し半田層６を厚くすると、ヒートサイクル時に生じる熱歪みを小さくすることができ、疲労破壊寿命を長くすることができるという効果もある。なお、ここで言う空隙率とは、半田全体積に対する半田中に残存している気泡部の体積の比率を％で示したものである。
【００２７】
本パワーモジュール１０に使用するセラミックス回路基板１１は、前述したように半田リフロー時に、金属放熱板１４側に凸状に前記所定反り量で反るようなものであり、特に構造は規定されないが、通常半田リフロー温度は約２３０〜３００℃であり、前記本発明のセラミックス回路基板１を用いるとよい。
【００２８】
［実施例２］
前記実施例１における評価結果を基にサンプルを選定し、裏側銅板をヒートシンクに見たてた共通銅板に半田リフローで接合し、室温における半田層の空隙率を調べた。サンプルは、実施例１の場合と同様にして作成し、裏側銅板全面に無鉛半田ペーストを厚さ約２００μｍに印刷塗布した。共通銅板は２５０×１５０×５ｍｍのものを用い、この上に前記サンプル６個をほぼ等間隔に並べ、炉にセットして半田リフローを行なった。半田リフロー温度は２６０℃とした。所定リフロー時間経過後、共通銅板を取り出し、室温における半田層の空隙を超音波探査映像装置を用いて測定し、全半田容積をもとに空隙率を算出した。その結果を表２に示す。なお、高温状態での反りは半田リフロー温度に相当する２６０℃に加熱し３次元形状測定装置により測定したものを代用し、実施例１において測定した値を参考に併記する。
【００２９】
【表２】
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【００３０】
サンプルＮｏ．１、６は、実施例１において裏表の金属板構造が好ましい範囲から外れたものである。Ｎｏ．１は、空隙率は小さいが裏側銅板の周辺部の一部に半田層が形成されない箇所が見られ不良である。これは反り量が大きいため、２００μｍ厚の半田ペーストの量では外周部の隙間を埋めるには十分でなかったためと思われる。半田ペースト厚を３００μｍ程度にすれば全面に形成されると思われる。Ｎｏ．６は空隙率が大きく不良である。これは反り方向が逆で、気泡が封じ込められる形になり逃げ難かったためと思われる。Ｎ０．２、３、４、５は、反り量に応じて空隙率が下がり、いずれも５％以下となって良品である。これより、表裏銅板の体積及び厚さを、Ｖ１／Ｖ２＝０．８５〜１．２でかつＴ１／Ｔ２＝１．１〜１．４とすると、リフロー後の半田層を空隙率を５％以下とし、かつ金属放熱板の全域にわたって形成することができることがわかる。
【００３１】
本パワーモジュール１０は、次の工程を経て製造される。
セラミックス回路基板１１の製造工程においては、窒化ケイ素からなるセラミックス基板１２の一方の面に銅製の金属回路板１３を、他方の面に同じ銅製の金属放熱板１４を活性金属法又は直接接合法などの加熱接合法で同時に接合し、その後金属回路板１３にエッチングにより所定の回路パターンを形成する。半導体素子１５をセラミックス回路基板１１に実装する工程においては、金属回路板１３に所定パターンで印刷塗布された半田ペースト上に半導体素子１５を搭載し半田リフローで接合する。ヒートシンク５をセラミックス回路基板１１に接合する工程においては、金属放熱板１４に印刷塗布された半田ペーストとヒートシンク５表面を当接させ半田リフローで接合する。
【００３２】
本パワーモジュールの製造にあたっては、設計仕様に合わせて適宜工程を変更するとよい。例えば、半導体素子の種類によって、半導体素子実装工程の後にヒートシンク接合工程を行なったり、その逆の順序で行なったり、また半田リフロー接合処理については同じ装置を用いて同時に行なうようにするなど種々の形態をとることができる。即ち、本発明のパワーモジュール１０の製造方法の特徴は、ヒートシンクを接合する工程において半田リフロー法を用い、セラミックス回路基板１１を、約２３０〜３００℃に加熱した時にヒートシンク１６側に凸状で、セラミックス基板の長手方向の長さに対して１／５０００以上で１／１００以下の反り量をなすように変形させることで半田層の空隙率を５％以下にすることにある。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明のセラミックス回路基板を模式的に示す断面図。
【図２】本発明のセラミックス回路基板の反り測定を説明するための図。
【図３】本発明のパワーモジュールを模式的に示す断面図。
【符号の説明】
【００３４】
１…本発明のセラミックス回路基板
２…セラミックス基板
３…金属回路板
４…金属放熱板
５…ヒートシンク
６…溶融半田（半田層）
１０…本発明のパワーモジュール
１１…パワーモジュールに使用されるセラミックス回路基板
１５…半導体素子
２０…ホットプレート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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